李本友 安雪蕾

1.山東水泥廠有限公司；2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院

淺析水泥基無機(jī)注漿材料的研究發(fā)展

李本友1安雪蕾2

1.山東水泥廠有限公司；2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院

水泥基無機(jī)注漿材料在巖土工程中的阻水防滲和加固堵漏等方面具有十分廣泛的應(yīng)用。綜述了水泥基無機(jī)注漿材料的發(fā)展?fàn)顩r，主要對(duì)無機(jī)注漿材料中的水泥單液漿、水泥-粘土漿液、水泥-膨潤(rùn)土漿液、水泥-黃土漿液、水泥-粉煤灰漿液、超細(xì)水泥漿液的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

水泥基；無機(jī)；注漿材料

1 引言

注漿技術(shù)[1-3]經(jīng)過兩個(gè)多世紀(jì)的探索發(fā)展，在巖土工程中扮演了極其重要的角色，在海底隧道、地鐵等地下工程中的治水防滲，公路、鐵路的地基加固和隧洞、巷道的地層加固等方面具有極其廣泛的應(yīng)用[4-6]。注漿材料是影響注漿效果的一個(gè)重要的影響因素。

本文簡(jiǎn)要介紹了水泥基無機(jī)注漿材料在近幾年內(nèi)的國(guó)內(nèi)外研究成果，旨在為國(guó)內(nèi)外注漿材料的研究發(fā)展提供一定的參考價(jià)值。

2 水泥單液漿

水泥單液漿是以水泥為主要材料，可添加適量的水泥外加劑，并用水配制而成，是采用單液注漿方式注入到地層裂隙或空隙的一類漿液。水泥單液漿的優(yōu)點(diǎn)是來源豐富，價(jià)格低廉，注漿結(jié)石體強(qiáng)度高，抗?jié)B性能好；采用單液工藝，操作方便，因此水泥單液漿料在地層填充、加固、阻水防滲方面具有極大的實(shí)際應(yīng)用[7]。但是存在漿液的穩(wěn)定性較差、容易沉淀析出、漿液初凝及終凝時(shí)間較長(zhǎng)、難易注入到較小裂隙巖層等的問題，限制了它在止水、加固、補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用[8]。純水泥漿是不包括外加劑，只有水泥和水調(diào)制而成的漿液，這種漿液在實(shí)際工程中的應(yīng)用較少，一般需要加入外加劑來調(diào)節(jié)水泥漿液的性能。但是外加劑在水泥單液漿的應(yīng)用還沒有達(dá)到其在混凝土和砂漿中的推廣程度，對(duì)其研究較少。

3 水泥基復(fù)合漿

3.1 水泥-粘土漿液

粘土是由天然巖石經(jīng)過長(zhǎng)期自然風(fēng)化作用形成的。其組成可分為兩部分：一部分是粘土礦物，另一部分是雜質(zhì)礦物。由于粘土的細(xì)粒成分多，親水性好，所以漿液沉淀析水少，加入水泥漿液中可以改善漿液的穩(wěn)定性、提高結(jié)石率，降低水泥漿的離析程度，進(jìn)而增強(qiáng)其可注性[9]。

徐潤(rùn)[10]等研究了水泥-粘土漿液的密度規(guī)律、流動(dòng)性及其影響因素，水泥-粘土漿液的穩(wěn)定性，塑性強(qiáng)度測(cè)定原理，分析了水泥-粘土漿液的凝結(jié)特性及原理、堵水機(jī)理；試驗(yàn)推導(dǎo)出粘土水泥漿的密度公式；證明了漿液的粘度和屈服應(yīng)力受水玻璃影響很大，隨水化時(shí)間增大，漿液的懸浮性主要取決于粘土顆粒粒徑和水玻璃的含量。張貴金[11]等對(duì)凝膠時(shí)間、流動(dòng)度、粘度、屈服強(qiáng)度及結(jié)石體性能做了大樣本長(zhǎng)周期室內(nèi)試驗(yàn)，與常規(guī)水泥基注漿材料相比，改性后的水泥-粘土漿具有抗水稀釋、漿液凝膠時(shí)間可調(diào)、漿材擴(kuò)散范圍可控等優(yōu)點(diǎn)。鄭晨[12]等通過室內(nèi)試驗(yàn)描述了水泥-粘土漿液的水固比、吸水率、粘度以及凝結(jié)時(shí)間的一般規(guī)律，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。

3.2 水泥-膨潤(rùn)土漿液

膨潤(rùn)土的成分決定了其具有遇水膨脹的能力。蒙脫石是非金屬礦產(chǎn)—膨潤(rùn)土的主要礦物成分。膨潤(rùn)土的粒徑小于2μm的顆粒占85%以上，比純水泥漿液的可注性要高。此外它的抗?jié)B透性高于普通水泥漿液，但是其漿液強(qiáng)度太低，作為地下工程加固抗?jié)B漿料原料膨潤(rùn)土的摻量不宜過多，通常情況下膨潤(rùn)土與水泥的質(zhì)量比為0.05～0.15。

蔣林華[13]等采用鈣基膨潤(rùn)土和納基膨潤(rùn)土等量取代普通水泥砂漿中的水泥制成水泥-膨潤(rùn)土漿液，并對(duì)新制漿液的抗壓強(qiáng)度、和易性、相對(duì)滲透系數(shù)等進(jìn)行了一定的測(cè)試，分析了并對(duì)膨潤(rùn)土水膠比種類、摻量、對(duì)其性能的影響。張濤[14]等通過改變水泥砂漿中膨潤(rùn)土的種類和摻雜量的方式，對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響進(jìn)行了一系列的研究，并通過SEM和TGA的測(cè)試結(jié)果對(duì)膨潤(rùn)土在水泥砂漿中的作用進(jìn)行了分析。

3.3 水泥-黃土漿

黃土指的是在干燥氣候條件下形成的多孔性具有柱狀節(jié)理的黃色粉性土。水泥黃土漿液具有來源廣，成本低，析水率小，漿材擴(kuò)散范圍易于控制，制備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

張亞民[15]等以六盤山隧道襯砌壁后注漿材料為研究對(duì)象，通過大量室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)黃土水泥漿液的比重、結(jié)石率、凝膠時(shí)間、粘度強(qiáng)度和滲透性進(jìn)行測(cè)試。谷天峰[16]等以不同地區(qū)的黃土為研究對(duì)象，通過大量水泥-黃土漿液結(jié)石率、凝結(jié)時(shí)間、黏度、結(jié)石體強(qiáng)度等參數(shù)的試驗(yàn)，研究了黃土摻量、黃土類別、水固比、等因素對(duì)水泥-黃土漿液性質(zhì)的影響。

3.4 水泥-粉煤灰漿

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，具有較高的活性，是燃煤電廠排出的主要固體工業(yè)廢渣之一[17-18]。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加，在造成嚴(yán)重的大氣污染的同時(shí)也引起了人們對(duì)粉煤灰處理和利用的重視。

水泥-粉煤灰漿材料是利用較小粒徑的粉煤灰替代一定比例的水泥通過添加一定的摻料或者外加劑而構(gòu)成的一種新型注漿材料。這類新型的注漿材料具有固結(jié)率高、硬度大、流動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)及其良好的物理活性和化學(xué)活性[19-20]。

孫偉[21]以粉煤灰在水泥基注漿材料中的摻雜量為研究重點(diǎn)，旨在降低漿材成本，提高漿液綜合特性能而進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，開展了對(duì)粉煤灰復(fù)合活性、流動(dòng)性、結(jié)石率等特性的研究，并觀察粉煤灰摻雜量和水灰比漿液在不同比例下的結(jié)石體的開裂情況以及裂縫的微觀結(jié)構(gòu)。賀平[22]利用正交試驗(yàn)測(cè)試了不同固相比、水灰比和速凝劑摻量對(duì)漿液的物理力學(xué)性能的影響，并深入探討了漿液中各個(gè)性能之前的作用關(guān)系。

盡管最近幾年來，國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家對(duì)添加在水泥漿材料中的粉煤灰做了大量的科學(xué)研究和改善，但粉煤灰注漿材料仍存在早期強(qiáng)度低的特點(diǎn)，因此，加強(qiáng)粉煤灰在漿液中的摻雜量的研究以及對(duì)其活化機(jī)理的探索，增強(qiáng)粉煤灰的活性，是一個(gè)任重而道遠(yuǎn)的歷程。

4 超細(xì)水泥漿液

一般的水泥等懸濁液顆粒的粒徑大，對(duì)地層的滲透性不理想；化學(xué)類注漿材料價(jià)格貴。在這種背景下，20世紀(jì)80年代開發(fā)出兩種細(xì)粒水泥，即MC超細(xì)干磨水泥和WMC超細(xì)濕磨水泥。超細(xì)水泥顆粒的粒徑不超過20 μm，具有比表面積大、凝結(jié)體強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、滲透能力好，并且漿材無污染，來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。因此超細(xì)水泥注漿材料的制備方法和滲透機(jī)理得到了人們的廣泛關(guān)注。

管學(xué)茂[23]等著重研究了超細(xì)水泥基材料的物理力學(xué)性能，與高效減水劑的相容性，水灰比，攪拌時(shí)間等注漿工藝參數(shù)對(duì)超細(xì)水泥基注漿材料性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加水灰比可以降低漿液的粘度，但當(dāng)W/C大于1.5時(shí)增加水灰比，粘度變化很小；當(dāng)W/C大于1時(shí)，漿液的穩(wěn)定性變差；MPC的棄漿時(shí)間以不超過120 min為宜。

徐星華[24]等選取水灰比為0.8、1.0、1.5、2.0這四種超細(xì)水泥漿液，對(duì)0.03、0.05、0.07 mm的濾網(wǎng)進(jìn)行了漿液的凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)性、可注性、早期強(qiáng)度和注漿膠結(jié)破碎煤體的強(qiáng)度、純漿液結(jié)實(shí)體與膠結(jié)煤體之間的黏結(jié)抗剪強(qiáng)度進(jìn)行一系列的模擬試驗(yàn)，制備出的漿液24 h后其抗壓強(qiáng)度可達(dá)4.05 MPa，具有早強(qiáng)高強(qiáng)特性，又具有可操作凝結(jié)時(shí)間可調(diào)的超細(xì)水泥注漿材料；

劉立順[25]等在分析超細(xì)水泥粒徑分布水灰比和可注性等特性的基礎(chǔ)上，對(duì)河南某鉛鋅銀礦破碎蝕變薄礦脈進(jìn)行超細(xì)水泥現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)。結(jié)果表明，以DMFC-1200超細(xì)水泥注漿的合適水灰比為1.2：1.0，合理的注漿壓力范圍為2.0-6.0 MPa，漿液擴(kuò)散半徑范圍為0.5-1.5 m，擴(kuò)散區(qū)域主要集中在輕中蝕變巖中。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水泥基無機(jī)注漿材料具有成本較低、原料廣泛、制備方便的特點(diǎn)，并且通過添加外加劑、礦物摻合料等還可以提高其流動(dòng)性、可注性、滲透性、結(jié)石體強(qiáng)度等，使其在工程中發(fā)揮重要作用。但從目前研究成果來看，多集中在對(duì)其配合比和物性研究上，缺少漿液結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)及漿液擴(kuò)散理論等方面的研究成果，此外，隨著節(jié)能環(huán)保和創(chuàng)新日益得到重視和加強(qiáng)，研究和發(fā)展多功能化、高強(qiáng)度、穩(wěn)定性、綠色環(huán)保和耐久性良好的水泥基無機(jī)注漿材料也具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

[1]王紅喜,張高展,丁慶軍,胡曙光,譚順輝,李勇軍.堿激發(fā)-工業(yè)廢渣雙液注漿材料性能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2007(3):374～378.

[2]張鳳祥.土建注漿施工與效果監(jiān)測(cè)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1998.

[3]《巖土注漿理論與工程實(shí)例》協(xié)作組，巖土注漿理論與工程實(shí)例[M].北京：科學(xué)出版社,2001.

[4]張永成.注漿技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2012.

[5]康紅普,馮志強(qiáng).煤礦巷道圍巖注漿加固技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].煤礦開采,2013(3):1～7.

[6]E N,Grouting theory and practice.[J].The Nether-lands:Elsevier Science Publisher,1989.

[7]許茜,王彥明,范延勇,白世和.注漿材料的發(fā)展及其應(yīng)用[J].21世紀(jì)建筑材料,2010(2):58～62.

[8]劉紅彬,唐偉奇,肖凱璐,馬唯哲,施政奇,李希光.水泥基注漿材料的研究進(jìn)展[J].混凝土,2016(3):71～75.

[9]崔玖江,崔曉青.隧道與地下工程注漿技術(shù).[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[10]徐潤(rùn),左永江.粘土水泥漿性能及其堵水機(jī)理的研究.[J].煤炭學(xué)報(bào),1996(21):613～617.

[11]張貴金,胡榮宗,鐘平,楊松林,陳安重.新型可控性粘土水泥膏漿試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù),2013(2):66～70.

[12]鄭晨,李博,吳基文.粘土-水泥漿室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究及其在煤層底板注漿改造中的應(yīng)用[J].工程勘察,2014(3):5～10.

[13]蔣林華,王濤,丁國(guó)慶,儲(chǔ)洪強(qiáng),胡杰,那彬彬,熊傳勝.潤(rùn)土水泥砂漿性能及機(jī)理研究[J].新型建筑材料,2012(4):48～53.

[14]張濤,潘家峰,萬(wàn)岳,陳俊.膨潤(rùn)土改善塑性混凝土性能的作用機(jī)理[J].人民黃河,2007(11):78～81.

[15]張亞民,康愛國(guó),蘇天朋,丁小平,周萬(wàn)福.黃土漿液注漿性能試驗(yàn)研究[J].公路交通技術(shù),2016(5):50～52.

[16]谷天峰,孫忠弟,駱鳳濤,劉亞明,郭康,馮力.水泥-黃土注漿充填材料的試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2013(1):98～105.

[17]陳禮儀,王勝.粉煤灰灌漿材料的研究和應(yīng)用[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007(2):206～209.

[18]楊久俊,張磊,王文娟.粉煤灰微珠在功能材料中的研究利用進(jìn)展[J].功能材料信息,2007(5):60.

[19]Antiohos S,Tsimas S,Activation of flyashcementitious systems in the presence of quicklime:Part I.Compressive strength and pozzolanic reaction rate[J].Cement and concrete research,2004(5):769～779.

[20]吳浩,管學(xué)茂.粉煤灰充填注漿材料研究[J].粉煤灰綜合利用,2003(4):17～19.

[21]孫偉.粉煤灰注漿充填材料及性能試驗(yàn)研究[J].昆明：昆明理工大學(xué),2009.

[22]賀平.高摻量粉煤灰水泥注漿材料主要物理力學(xué)特性研究[J].煤炭技術(shù),2014(5):284～286.

[23]管學(xué)茂,胡曙光,丁慶軍.超細(xì)水泥基注漿材料性能研究.[J].煤礦設(shè)計(jì),2001(3):28～31.

[24]徐星華,楊嘉怡,楊韶昆.超細(xì)水泥材料注漿加固深部極軟厚煤層回采巷道試驗(yàn)研究.[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016(3):329～337.

[25]劉立順,崔松,董凱成.河南某鉛鋅銀礦超細(xì)水泥材料注漿試驗(yàn)[J].有色金屬工程,2016(4):64～68.